单颗粒煤粉燃烧过程数值模拟及实验研究

摘要

为探究入射角度对煤粉挥发分析出的影响,针对单颗粒煤粉在McKenna燃烧器中的着火和燃烧过程,采用Realizable k-ε湍流模型模拟气相运动,采用P1模型模拟颗粒与周围气体间的辐射换热,采用离散颗粒模型(DPM)模拟煤粉颗粒的运动与相互作用,采用化学逾渗脱挥发分(CPD)模型模拟煤粉的热解过程,结合挥发分燃烧和焦炭燃烧模型,根据煤粉元素分析及工业分析结果假设挥发分组成,基于FLUENT平台进行了数值模拟计算。采用甲烷/氧气当量比0.8的实验工况下温度的测量结果作为计算模型验证数据。对煤粉颗粒5种不同入射角度的工况进行模拟,得到了煤粉颗粒温度、速度、挥发分含量随颗粒轨迹的变化过程。通过编写UDF文件对边界温度和速度条件进行详细设置,减小计算误差;同时对网格独立性进行验证,避免网格带来的误差。分析发现,在本文实验条件下,颗粒能否经过高温区以及能否在高温区内保持较久的停留时间,是影响颗粒挥发分析出及燃烧的重要因素,大部分颗粒在经历高温区后温度可达650 K以上,即可以发生挥发分析出和燃烧,但发生高度不一;在实验过程中观察到的燃烧与未燃颗粒并存的现象也验证了这一点,同时数值模拟得到的温度及氧气浓度分布也有效地解释了这一现象。所建模型为进一步研究着火机理提供借鉴。